JP4653866B2 - 金属配線連結方法 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置製造方法に関するものであり、より詳しくは金属配線連結方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
半導体装置が高集積化されることにより金属配線のためのオープニング(opening)においても下部面直径に対する高さ比、即ちアスペクト比(aspect ratio)が徐々に増加する趨勢である。従って、高アスペクト比を有するオープニングを完全に充填するための金属配線工程では、ステップカバレッジ(step coverage)が優れている金属を用いていた。
【0003】
従って、ステップカバレッジが優れた、CVD工程で処理されたタングステン膜が主に金属配線に用いられている。これは、CVD工程を通じたタングステン膜はステップカバレッジが優れているため、オープニング内部でボイド(void)のような欠陥の発生を減少させることができるからである。
【0004】
本発明は、タングステン膜のみによって形成された金属配線とアルミニウム配線とを相互連結する方法に関する。
【0005】
図1は、従来のタングステンによって形成された金属配線とアルミニウム配線との間の相互連結を示す図面である。
図1を参照すると、半導体基板上に絶縁膜が形成される。この場合絶縁膜内にタングステン配線が含まれる。タングステン配線の下部には、TiNとTiが積層された多層導電膜を含む。絶縁膜がよく知られた写真エッチング技術と乾式エッチング技術でエッチングされてコンタクトホールが形成され、コンタクトホールを含んで絶縁膜上にウエッティングレイヤーとアルミニウム膜が順次に形成されてコンタクトホールを充填する。
【0006】
ところで、後続熱処理工程やアルミニウム膜のリフロー(reflow)工程時、アルミニウム膜とタングステン単層膜とが反応し、この反応によってタングステン配線が体積収縮され、合金(alloy)が形成される。体積収縮は、金属配線上にボイドを発生させ、アルミニウムとタングステン膜の合金の形成は抵抗の増加を招く。
【0007】
図2乃至図3は、従来の相互連結されたタングステン配線とアルミニウム配線で各部位W,H,C,FによるEDX成分分析を示す図面である。
図2を参照すると、図1に示されたW部位を成分分析した結果タングステンWのピーク(peak)外には他のピークがない。従って、この部分ではタングステンとアルミニウムの合金が発生しなかったことが分かる。
【0008】
図2,図3及び図4を参照すると、図1に示された各々の部位C,F,Hを成分分析した結果タングステンWのピーク以外にもAlピークが混在されている。従って、この部分でタングステンとアルミニウムの合金が発生されていることが分かる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、アルミニウム配線とタングステン配線との間の反応が防止でき、アルミニウムとタングステンとの反応によって形成される合金、体積収縮及びアルミニウム膜とタングステン膜の界面領域に発生されるボイドが防止できる。従って、金属配線における抵抗増加が防止できる金属配線連結方法を提供することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するために提案された本発明の特徴によると、金属配線連結方法は、半導体基板上に第1導電膜を形成する段階と、第1導電膜を含んで半導体基板上に絶縁膜を形成する段階と、第1導電膜の上部表面が露出される時まで絶縁膜の一部をエッチングしてコンタクトホールを形成する段階と、少なくともコンタクトホールの下部面が覆われるように障壁(barrier)膜を形成する段階と、障壁膜の膜質を緻密化するため第1熱処理を遂行する段階と、少なくともコンタクトホールの両側壁を覆うようにウエッティングレイヤーを形成する段階と、コンタクトホールが充填されるようにウエッティングレイヤー112上に第2導電膜114を形成する段階と、コンタクトホールが第2導電膜114に完全に充填されるように第2熱処理を遂行する段階とを含む。
【0011】
前述した目的を達成するために提案された本発明の他の特徴によると、金属配線連結方法は半導体基板上に第1導電膜を形成する段階と、第1導電膜を含んで半導体基板上に絶縁膜を形成する段階と、第1導電膜の上部表面が露出される時まで絶縁膜の一部をエッチングしてコンタクトホールを形成する段階と、コンタクトホールの両側壁及び下部面を覆うようにウエッティングレイヤーを形成する段階と、コンタクトホールが充填されるようにウエッティングレイヤー上に第2導電膜を形成する段階と、コンタクトホールが第2導電膜で完全に充填されるように熱処理する段階とを含み、ウエッティングレイヤーは第1導電膜と第2導電膜の反応防止が可能な厚さを有するように形成される。
【0012】
図8及び図10を参照すると、本発明の実施形態による新たな金属配線連結方法は、少なくともコンタクトホールの下部面が覆われるように障壁膜を形成して障壁膜の膜質を緻密化するため熱処理を遂行するか、又はウエッティングレイヤーが第1導電膜と第2導電膜の反応防止が可能な厚さを有するように形成される。このような金属配線連結方法により、第1導電膜と第2導電膜配線との間の反応が防止でき、第1導電膜と第2導電膜の反応に応じる合金、体積収縮及び第1導電膜と第2導電膜の界面領域に発生されるボイドが防止でき、導電膜、例えば、金属配線での抵抗増加が防止できる。
【0013】
【発明の実施の形態】
(第1実施形態)
以下、図6乃至図7を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
図6を参照すると、先ず半導体基板100上に第1絶縁膜102が形成される。第1絶縁膜102上にTi膜とTiN膜が順次に積層された多層膜106が形成され、TiN膜上にタングステン膜108が形成されてタングステン配線が形成される。タングステン配線を含んで第1絶縁膜102上に第2絶縁膜104が形成される。
【0014】
第2絶縁膜104上にフォトレジスト膜(図示せず)が形成され、よく知られた写真エッチング工程でコンタクトを定義するフォトレジスト膜パターンが形成される。フォトレジスト膜パターンがマスクとして使用され、タングステン膜が露出される時まで絶縁膜がエッチングされてコンタクトホールが形成される。
【0015】
コンタクトホールを含んで第2絶縁膜104上に障壁膜110として、TiN膜及びTiN膜とTi膜が積層された多層膜の中選択された膜が形成される。障壁膜110は、コンタクトホール底部及び両側壁に形成される。この障壁膜110は後続工程で形成されるアルミニウム膜との反応を防止するためのものである。
【0016】
障壁膜110を緻密化させるための熱処理工程が遂行される。これは障壁膜110がウエッティングレイヤーとしての能力は減少されるが、障壁膜110が障壁膜110の上部膜と下部膜の反応を防止する障壁膜としての能力を向上させるためのものである。熱処理工程は拡散炉を用いた熱処理工程及びRTN工程のいずれかの工程で遂行されるが、拡散炉を用いた熱処理工程は、400℃−600℃範囲内の温度で約45分間遂行される。そして、RTN工程は、600℃−700℃範囲内の温度で約20秒間遂行される。
【0017】
この実施形態ではTiN膜110がコンタクトホールの両側壁及び底部に全て形成されていることを例示しているが、このTiN膜110がコンタクトホールの底部にのみ形成されても熱処理工程として緻密化されたコンタクトホール底部の障壁膜110により障壁膜110の上部膜と下部膜の反応を防止するため、この発明で期待する障壁膜の役割を果たすことができる。
【0018】
障壁膜110の減少されたウエッティングレイヤーとしての能力を補償するため、障壁膜110上にTi膜及びTiN膜の中いずれか一つの膜112が形成される。Ti膜はTiN膜よりウエッティングレイヤーとしての能力は優れるが、障壁膜としての能力は劣る。この場合ウエッティングレイヤーはコンタクトホール側壁での厚さが30Å−100Å範囲内である。この実施形態ではウエッティングレイヤーがコンタクトホールの両側壁及び底部に全て形成されていることを例示しているが、このウエッティングレイヤー112はコンタクトホールの両側壁にのみ形成されてもウエッティングレイヤーとしての役割を十分に果たすため、本発明でアルミニウム膜リフロー時、期待するウエッティングレイヤーとしての役割を果たすことができる。
【0019】
ウエッティングレイヤー膜112上にコンタクトホールを充填するようにアルミニウム膜114が形成され、コンタクトホールを完全に充填するように熱処理工程のアルミニウムリフロー工程が遂行される。アルミニウムリフロー工程は、450℃−550℃範囲内の温度で遂行される。後続工程として半導体装置、例えば、トランジスタの性能を向上させるための熱処理工程が400℃−450℃範囲内の温度で遂行される。
【0020】
(第2実施形態)
先ず、半導体基板100上に第1絶縁膜102が形成される。第1絶縁膜102上にTiN膜とTi膜が順次に積層された多層膜106が形成され、Ti膜上にタングステン膜108が形成されてタングステン配線が形成される。タングステン配線を含んで第1絶縁膜102上に第2絶縁膜104が形成される。
【0021】
第2絶縁膜104上にフォトレジスト膜(図示せず)が形成され、よく知られた写真エッチング工程でコンタクトホールを定義するフォトレジスト膜パターンが形成される。フォトレジスト膜パターンがマスクとして使用され、タングステン膜108が露出される時まで絶縁膜がエッチングされてコンタクトホールが形成される。
【0022】
コンタクトホールを含んで第2絶縁膜上にTiN膜及びTiN膜とTi膜が積層された多層膜の中選択された膜110が形成される。この場合、選択された膜110はコンタクトホール下部での厚さが約150Å以上になるように形成される。これは選択された膜が後続アルミニウムリフロー工程でのウエッティングレイヤーとしての役割と、同時に熱処理工程時選択された膜110の上部と下部に形成される膜の反応を防止する障壁膜としての役割を果たせるようにするためのものである。以後の工程は、第1実施形態のような工程が遂行される。
【0023】
【発明の効果】
本発明は、従来の半導体装置のタングステンとアルミニウム配線との間の相互連結でアルミニウム配線とタングステン配線との間の反応によって配線の体積が収縮され、合金が形成される問題点と、体積収縮のためTiN膜とタングステン膜の界面領域にボイドが発生する問題点と、合金とボイドにより抵抗の増加が発生される問題点を解決したものであって、障壁膜の役割を果たすウエッティングレイヤーを形成し、アルミニウム配線とタングステン配線との間の反応が防止でき、従って合金とボイドの発生とが防止できてこれにより配線間のコンタクト抵抗を減少させ得る効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来の金属配線連結方法による半導体装置を示す図面である。
【図2】 図1の部位WをEDX成分分析した結果を示すグラフである。
【図3】 図1の部位CをEDX成分分析した結果を示すグラフである。
【図4】 図1の部位FをEDX成分分析した結果を示すグラフである。
【図5】 図1の部位HをEDX成分分析した結果を示すグラフである。
【図6】 本発明の実施形態による半導体装置を示す図面である。
【図7】 本発明の実施形態による半導体装置を示す図面である。
【図8】 本発明の実施形態による半導体装置を示す図面である。
【図9】 本発明の他の実施形態による半導体装置を示す図面である。
【図10】本発明の他の実施形態による半導体装置を示す図面である。
【符号の説明】
10,100 半導体基板
12,102,104 絶縁膜
16,106 多層膜
18,108 タングステン膜
20,112 ウエッティングレイヤー
22,114 アルミニウム膜
110 障壁膜

Claims (2)

  1. 半導体基板上に第1導電膜を形成する段階と、
    前記第1導電膜を含んで半導体基板上に絶縁膜を形成する段階と、
    前記第1導電膜の上部表面が露出される時まで前記絶縁膜の一部をエッチングしてコンタクトホールを形成する段階と、
    少なくとも前記コンタクトホールの下部面が覆われるように障壁膜を形成する段階と、
    前記障壁膜の膜質を緻密化するため第1熱処理を遂行する段階と、
    少なくとも前記コンタクトホールの両側壁を覆うようにウエッティングレイヤーを形成する段階と、
    前記コンタクトホールが充填されるように前記ウエッティングレイヤー上に第2導電膜を形成する段階と、
    前記コンタクトホールが前記第2導電膜で完全に充填されるようにリフロー工程を実施する段階とを含み、
    前記第1熱処理工程は拡散炉を用いた熱処理工程及びRTN工程の中いずれか一つの工程で遂行され、
    前記拡散炉を用いた熱処理工程は、400℃−600℃範囲内の温度で45分間遂行され、
    前記RTN工程は、600℃−700℃範囲内の温度で20秒間遂行され
    前記第1導電膜はタングステン膜であり、
    前記障壁膜は、TiN膜及びTiN膜とTi膜とが積層された多層膜の中から選択されるいずれか一つの膜であり、
    前記ウエッティングレイヤーは、TiN膜及びTi膜の中から選択されるいずれか一つの膜であり、
    前記第2導電膜はAl膜であることを特徴とする金属配線連結方法。
  2. 前記ウエッティングレイヤーの厚さは、両側壁で30Å−100Å範囲内であることを特徴とする請求項1に記載の金属配線連結方法。
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